семинар 2, сложность 1: Часть 3

Физика, 9 класс

Задача 5 Условие С бруском, который удерживают на шероховатой наклонной плоскости с углом наклона $\alpha = 30^o$ к горизонту, проводят опыт. Ему сообщают начальную скорость так, что он сначала движет...

Видео

Конспект

Задача 5

Условие

С бруском, который удерживают на шероховатой наклонной плоскости с углом наклона $\alpha = 30^o$ к горизонту, проводят опыт. Ему сообщают начальную скорость так, что он сначала движется вверх по наклонной плоскости, а затем, в $2$ раза дольше, — вниз, и возвращается в исходную точку. Чему равен коэффициент трения бруска о наклонную плоскость? Ускорение свободного падения $g = 10 \frac{м}{c^2}$.

Решение

Будем решать эту задачу в инерциальной системе отсчета, связанной с Землей. Брусок движется поступательно, поэтому далее будем применять второй закон Ньютона, сформулированный для материальных точек $$

\vec{F}_\Sigma = m\cdot \vec{a}.

$$ Рассмотрим силы, действующие на брусок при движении вверх после сообщения ему скорости $v_0$.

t7

Определим ускорение, с которым движется брусок при подъеме вдоль наклонной плоскости. Ускорение направлено против скорости (скорость уменьшается), равнодействующая сил сообщает телу ускорение $\vec{a}_1$: $$

\vec{F}_{\Sigma 1}= m\cdot \vec{a}_1,

$$ $$

m \vec{g} + \vec{N} + \vec{F}_{тр.ск.} = m \vec{a}_1.

$$ Спроецируем полученное уравнение на ось $x$: $$

mg \sin\alpha + 0+ F_{тр.ск.} = m\cdot a_1,

$$ где $$

F_{тр.ск.} = \mu \cdot N.

$$ Проекция уравнения на ось $y$ дает $$

-mg \cos\alpha + N = 0.

$$ Отсюда получаем $$

a_1 = g \sin\alpha + \mu g \cos \alpha = g \left( \sin\alpha + \mu \cos \alpha \right).

$$ Теперь рассмотрим соскальзывание бруска вниз по наклонной плоскости.

t8

Воспользуемся вторым законом Ньютона $$

\vec{F}_{\Sigma 2}= m \vec{a}_2,

$$ $$

m \vec{g}+ \vec{N}+ \vec{F}_{тр.ск.2} = m \cdot \vec{a}_2.

$$ Проецируем на ось $x$ : $$

mg \sin \alpha +0-F_{тр.ск.2} = m\cdot a_2,

$$ и на ось $y$: $$

-mg \cos\alpha +N+0=m\cdot 0.

$$ Отсюда получаем $$

mg \sin\alpha - \mu mg \cos\alpha = ma_2,

$$ $$

a_2 = g \left( \sin\alpha - \mu \cos\alpha \right) < a_1.

$$ Перейдём к рассмотрению кинематики движения. При движении вверх по наклонной плоскости движение равноускоренное, причем скорость меняется от некоторого неизвестного начального значения $v_0$ до $0$. Поэтому $$

\Delta x = v_{0x}t + \frac{a_xt^2}{2} = v_xt - \frac{a_xt^2}{2}.

$$ Здесь мы учли, что $v_{0x} = v_x-a_xt$.

Обозначим через $S$ пройденный путь. Тогда $$

-S = - \frac{a_1t_1^2}{2},

$$ $$

S = \frac{a_1t_1^2}{2}.

$$ С другой стороны, при соскальзывании бруска начальная скорость нулевая, поэтому $$

S = \frac{a_2t_2^2}{2}.

$$ По условию задачи рассмотренные пути одинаковы: $$

a_1t_1^2 = a_2t_2^2.

$$ Учтем, что время соскальзывания в два раза больше, чем время подъема на наклонную плоскость: $$

a_1 = 4a_2.

$$ Учтем полученные ранее выражения для ускорений: $$

\sin\alpha + \mu \cos \alpha = 4 \left( \sin\alpha - \mu \cos \alpha \right),

$$ $$

3 \sin \alpha = 5\mu \cos \alpha,

$$ $$

\mu = \frac{3}{5}\tg \alpha,

$$ $$

\mu = \frac{3}{5}\tg 30^o = \frac{3}{5 \sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{5} \approx 0.346.

$$ Ответ: $0.346$

Открыть урок на ВОЛНА